鋁在廂式車與專用運(yùn)輸車中的應(yīng)用
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王大偉1，王祝堂2
（1．東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150060；2.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，北京100814）
摘要：專用汽車可分為通用廂式車、專用運(yùn)輸車、冷藏車、土建車、環(huán)保車和各種用途服務(wù)車。車的鋁化率各國不盡相同，歐洲、北美與日本的鋁化率高，中國專用汽車的鋁化率總體來看甚低，仍處于起步階段，推廣鋁材應(yīng)用潛力很大。廂式與專用運(yùn)輸車用的鋁材大都是工業(yè)通用的，生產(chǎn)難度不大。專用汽車的鋁化蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能、減排、環(huán)保潛力。工業(yè)協(xié)會在推廣鋁材在汽車中的應(yīng)用方面做了許多工作，希望有關(guān)部門出臺強(qiáng)有力的廂式貨車與專用運(yùn)輸車節(jié)能減排的強(qiáng)硬法規(guī)條例。
關(guān)鍵詞：廂式貨車；專用運(yùn)輸車；鋁材；鋁化率；抑爆鋁箔
中圖分類號：TG146. 21 文章編號：1007 - 7235( 2016) 04 - 0001 - 05
專用汽車（簡稱專用車）可分為通用廂式車（廂式貨車）、專用運(yùn)輸車、冷藏車、土建車、環(huán)保車和不同用途的服務(wù)車等六大類。不同國家的分類方法也不盡相同，車的鋁化率也不同，歐洲、北美與日本的鋁化率高，中國專用車的鋁化率總體來看甚低，北美廂式車的鋁化率達(dá)92%以上，冷藏車的鋁化率幾乎達(dá)到了100%，中國專用車的鋁化仍處于起步階段，潛力很大。
專用車的鋁化蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能、減排、環(huán)保潛力。專用車的廂體多是可以用通用鋁板與擠壓鋁型材制造，其中板材的用量占75%以上；傳動系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的許多零部件可用鑄件與壓鑄件制造，懸掛系統(tǒng)還需要一些鍛件。
1 通用廂式車的鋁化率應(yīng)達(dá)到80%
通用廂式車通常有8種：翼形的，側(cè)開門的，帶起重設(shè)備的，升降式后開門的，帶自動進(jìn)貨裝置的，自卸式的，車身可脫離式的和平板式的。翼形廂式車是廂式貨車的代表，占主導(dǎo)地位，它的兩側(cè)門打開時形如翅膀，故得此名。翼形廂式車打開車門的方式有：手動式、液壓式與電動式。兩側(cè)車門可以同時打開，也可以分別開啟。有的車門打開后兩側(cè)車門超過車頂，有的車門打開后幾乎與車頂平齊。叉車一般可直接開入廂式車上作業(yè)。有的廂式車內(nèi)部又分為兩層或更多層的，其隔板有升降式的，也有拆卸式的。美國鋁業(yè)公司( Alcoa)與約翰斯敦公司( Johnstown)制造了長27 m的雙層乘人小轎車運(yùn)輸車，具有更長、更輕、更安全、裝載量更多的特點(diǎn)，因為它的骨架結(jié)構(gòu)完全是用高強(qiáng)度鋁合金擠壓材搭構(gòu)的，用鋁合金壓鑄件連接。中國也有這種多層汽車運(yùn)輸車，但是鋼結(jié)構(gòu)的，亟宜全鋁化，所需的鋁材中國全部可以生產(chǎn)。
有的翼形廂式車不僅可向上開啟車門，還可以向下開啟兩側(cè)車門，既能讓叉車開上去作業(yè)，又能用吊車吊取貨物，這種車被稱為W翼形廂式車。雖然大部分翼形廂式車都用鋁和塑料制造，有的也只用一些鋁合金擠壓型、管材桿支撐外罩篷布的，但可以像普通翼外廂式車一樣，方便地將兩側(cè)車門即支架和篷布一起向上全部打開，不需要卸下篷布和支架，不影響裝卸，不影響效率。
側(cè)開門廂式車是一種相當(dāng)普遍的車型，兩側(cè)車門通常是滑道式的，整個一側(cè)由兩塊或三塊門組成，可左右滑動，適合在低矮倉庫和路邊裝卸貨物。三塊門開口較大，適合于裝卸大的貨物。在中國這種側(cè)車門廂式車約占廂式貨車總數(shù)的65%，是城市特別是大城市市區(qū)貨物運(yùn)輸?shù)闹饕囆停梢匀夸X化，中國現(xiàn)在還未看到全鋁化的這種車。
美國克萊斯勒汽車公司經(jīng)過兩年半的潛心研發(fā)，采用A356鋁合金鑄造微型廂式車的前支撐橫梁，比鋼件的質(zhì)量減輕42%，并同時降低了車的噪聲及震動。
2 提高專用運(yùn)輸車的鋁化率
專用運(yùn)輸車是專門運(yùn)輸某類物資的車輛，大致可分為七種：集裝箱運(yùn)輸車、液體運(yùn)輸車、散裝粉粒物質(zhì)運(yùn)輸車（自卸車）、乘用轎車運(yùn)輸車、工程機(jī)械運(yùn)輸車、大件運(yùn)輸車和其他專用車。后一類車由于運(yùn)輸貨物不同而種類繁多，如：家具運(yùn)輸車、家畜運(yùn)輸車、飲料運(yùn)輸車、運(yùn)鈔車、美術(shù)品運(yùn)輸車、精密儀器運(yùn)輸車、防彈裝甲車等。有些車廂采用了隔熱材料，裝有冷暖空調(diào)器，適合于運(yùn)輸貴重美術(shù)品、精密儀器、花卉等。有的運(yùn)鈔車外觀同普通的旅行車一樣，打開車門才能看到結(jié)實的金庫與一排排保險箱。防彈裝甲車有厚厚的鋁合金裝甲板，它們大多是卡車改裝的，但與軍隊用的裝甲運(yùn)兵車有所不同。集裝箱運(yùn)輸車實際上是一種平板大件運(yùn)輸車，它的鋁化較為簡單，只要把承載集裝箱的鋼底板換成鋁合金的就行，就像高鐵車廂的鋁合金底板，可用厚6 mm～8mm的5083鋁合金擠壓型材焊成。本節(jié)僅對液體運(yùn)
輸車、冷藏車與液化天然氣運(yùn)輸車的鋁化作簡要介紹，因為別的運(yùn)輸車已在別的部分作過闡述。
2.1液體運(yùn)輸車
實際上，液體運(yùn)輸車就是罐式車，通常根據(jù)運(yùn)輸?shù)奈镔Y不同，確定罐的形狀、構(gòu)成和材料，但最關(guān)鍵的是材料與裝的液體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不腐蝕鋁。通常選用不銹鋼、純鋁或鋁合金，有的罐內(nèi)表面需經(jīng)過鍍鈦、涂氟化樹脂等處理。
罐式車種類繁多，形狀各異，大小不等，有的罐容積非常巨大，如運(yùn)輸液化天然氣( LNG)船上的貯罐容積達(dá)28 000 L，有的罐是真空的。在確定條件下底盤的質(zhì)量是確定的，罐體質(zhì)量就成為影響罐車質(zhì)量的決定因素，為此，只要鋁及鋁合金對所運(yùn)輸物資品質(zhì)無影響，就要用鋁或鋁合金板材焊制，以減輕車的質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能減排降耗環(huán)保的目的。
2.1.1 油罐車
運(yùn)輸航空汽油與噴氣機(jī)煤油的油罐必須用鋁合金焊接，因為即使用不銹鋼罐，也會有極微量鐵進(jìn)入油內(nèi)，這是不允許的。簡體截面為圓弧矩形，這是基于降低車的重心和在車輛外形尺寸范圍內(nèi)加大截面積的考慮，根據(jù)GB 18564，采用5083鋁合金焊接，板厚5 mm～6 mm，鋁合金罐體截面如圖1所示。日本三菱汽車公司開發(fā)的16 t油罐車，除罐是用鋁合金板焊接的之外，其車架(11210 mm×940 mm×300mm)是用鋁合金型材制造的，比鋼架的輕320 kg，整車減輕1.5 t。有限元分析與試驗測試表明，全鋁合金油罐車有足夠的剛度與強(qiáng)度。
防浪板、封頭材料與罐體的相同，也為5083鋁合金。封頭壁厚等于或大于罐體板的，防浪板及加強(qiáng)板厚度比罐體的薄1mm，罐體底部左右支座板厚6 mm～8 mm，材料為5A06鋁合金。
罐頂有護(hù)欄和走臺，走臺采用花紋鋁板或網(wǎng)板，護(hù)欄由鋁管制成，其高度不小于罐頂功能裝置的最大高度。為了減少罐體外側(cè)面附件，改善外觀整體性，頂部油氣回收管、控制氣管、導(dǎo)線及漏水管均從貫穿罐體上下壁的管道中通過。罐體兩側(cè)下部有一根鋁管，過去用的是低碳鋼管，因其內(nèi)壁漆層易脫落與生銹，維護(hù)工作量大且不方便，改用鋁管后，這些不足之處都得以消除，同時也有一些減重效果，也不能采用PV塑料管，因內(nèi)壁易劃傷、不耐磨、剛度低。鋁管可用有縫焊接管，它可與罐體的鋁合金鞍座焊成一體。油罐車所需的鋁材中國現(xiàn)在都能批量生產(chǎn)。
中國在鋁合金油罐汽車領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，2009年8月中集車輛（山東）有限公司與美國鋁業(yè)公司（以下簡稱美鋁）簽署了建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系協(xié)議，為亞洲商業(yè)運(yùn)輸市場設(shè)計制造一款新型節(jié)能環(huán)保的鋁合金油罐車。此車的自身質(zhì)量比傳統(tǒng)不銹鋼車輕30%，從而可大幅度增加有效載荷、提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放，在其生命周期可減少CO2排放90 t，節(jié)能全鋁油罐車項目的投資可在一年內(nèi)回收。
生產(chǎn)這種全鋁油罐車的板材由美國鋁業(yè)公司渤海鋁業(yè)有限公司提供，Hack牌緊固件由美鋁緊固件系統(tǒng)（蘇州）有限公司生產(chǎn)，而鍛造鋁合金車輪為Dura Bright牌的，來自美鋁設(shè)在匈牙利的克非姆( K fem)鍛壓廠。這實際上是一輛全鋁油罐車，2009年10月首臺原型樣車在濟(jì)南和北京進(jìn)行了路試，取得了圓滿結(jié)果，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。這種輕量化的、環(huán)境友好型的高檔油罐車不但在中國而且在亞洲都有著相當(dāng)大的市場潛力。
還必須指出，油品、液化天然氣、其他易燃易爆液態(tài)化學(xué)品在貯存和運(yùn)輸過程中易發(fā)生燃燒與爆炸，影響大，危害廣，給人們生活和企業(yè)生產(chǎn)帶來很大影響。因此，易燃、易爆氣體、液體儲存、運(yùn)輸?shù)墓�、槽、箱的防火、防爆是一個不容忽視的大問題。
20世紀(jì)80年代以來國外在研發(fā)金屬抑爆材料方面取得了巨大成就，往油品、液態(tài)化工產(chǎn)品等的貯存、運(yùn)輸罐等中加一定量的由3003鋁合金箔制成的呈蜂窩形的網(wǎng)狀或球狀抑爆材料，可以防止它們的燃燒與爆炸。這種抑爆網(wǎng)或球是用厚0. 05 mm、寬250 mm的3003-H18（或H24）鋁合金箔制成的。3003鋁合金抑爆箔的主要技術(shù)性能見表1，網(wǎng)狀防爆材料裝填量見表2。
3003鋁合金箔網(wǎng)與球能有效預(yù)防罐內(nèi)油品與液化氣的燃燒與爆炸，在海灣戰(zhàn)爭期間美國直升機(jī)與戰(zhàn)車油箱中都裝填了防爆鋁箔網(wǎng)，即使被槍彈擊中也未起火，美國拉莫公司( RAMO)生產(chǎn)的輕型攻擊型巡邏艦的462 L油箱中裝填了抑爆材料后，經(jīng)受了300發(fā)曳光彈與穿甲燃燒彈的射擊試驗沒有發(fā)生爆炸。不過它的主要不足之處是，在油品中浸泡1 a或
更長一些時間會發(fā)生腐蝕，不但腐蝕產(chǎn)物對油的品質(zhì)有影響，而且箔的伸長率急劇下降，在外力如震動作用下會發(fā)生斷裂失去抑爆效能。因此，研發(fā)新的抑爆鋁材成為當(dāng)務(wù)之急，清華大學(xué)材料系李建國教授在這方面做了許多工作，取得了可喜的成果，研發(fā)出性能優(yōu)秀的6×××系鋁合金箔抑爆材料，但是至今未形成批量生產(chǎn)能力。
各種食用油及工業(yè)用油的罐都可以用鋁制造。
2.1.2化工產(chǎn)品
按照石油化工產(chǎn)品及其他常用物質(zhì)對1×××系及5×××系鋁合金的腐蝕情況，可將它們分為三類：第一類是與鋁不起化學(xué)作用的物質(zhì)，即與鋁接觸時不發(fā)生腐蝕，可以用兩系鋁合金制造貯存容器；第二類是指那些輕微腐蝕鋁的物質(zhì)，如果對鋁采取有效的防護(hù)措施，鋁與它們接觸是安全的；第三類物質(zhì)是鋁與它們接觸時會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。
介質(zhì)濃度、溫度、壓力與運(yùn)動狀態(tài)對鋁的腐蝕有很大影響。濃度的影響一般是隨濃度增加腐蝕速度加快，但是例外的情況也很多，因此，關(guān)于鋁的腐蝕與介質(zhì)的關(guān)系應(yīng)針對具體情況討論。腐蝕速度總是隨著溫度和壓力的升高而升高。
大部分無水的無機(jī)鹽、石油與石油產(chǎn)品、有機(jī)化合物不腐蝕鋁，但其水溶液或含有少量水時腐蝕鋁。也有的物質(zhì)如乙二酸-烷基醚無水時腐蝕鋁，有少量水時反而不腐蝕鋁。
鋁在濃硝酸和醋酸中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，但100%的醋酸及沸騰的0.25%~95%醋酸腐蝕鋁。鋁在稀硫酸和發(fā)煙硫酸中穩(wěn)定，在中等和高濃度的硫酸中則不穩(wěn)定，鋁在硫酸溶液中穩(wěn)定。
鋁材在受力時或經(jīng)彎曲、沖壓及焊接后，都會在工件內(nèi)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，會加速鋁的腐蝕，因此應(yīng)采取消除殘余應(yīng)力的措施。鋁材表面狀態(tài)對其腐蝕也有影響。如表面上存在劃痕、裂紋、孔穴等缺陷，易形成濃差電池，加速腐蝕。
可用高純鋁制造濃硝酸(98%)、醋酸、福爾馬林貯罐與罐車，工業(yè)純鋁制造濃硝酸、冰醋酸、醋酸、尿液貯罐與罐車，可用5052鋁合金制造乙二醇貯罐與罐車。
2.2冷藏車與液化氣運(yùn)輸車
鋁與鋼在性能與溫度關(guān)系方面的最大不同點(diǎn)在于鋼有低溫脆性，而鋁及鋁合金則沒有，當(dāng)溫度降低時，鋁及鋁合金在強(qiáng)度性能增加的同時，塑性與韌性也隨著溫度的降低而上升，因此鋁合金成為制造低溫裝備與設(shè)施的良好材料。常用汽車鋁合金的低溫性能見表3。運(yùn)輸液化天然氣的罐車與貯存液化天然氣的大罐可用5083-0鋁合金板材焊接。
考格爾( K egel)公司生產(chǎn)的半冷藏車在使用了鋁合金后，車的自身質(zhì)量下降480 kg。用鋁合金板材、型材及其他材料制造冷藏運(yùn)輸車的另一優(yōu)點(diǎn)是，鋁是一種潔凈、對人體無害、對環(huán)境友好的金屬，易清洗，不吸收和散發(fā)氣體。冷藏車的四壁為三層復(fù)合材料，上下層為鋁合金薄板、中間為保溫材料，具有很強(qiáng)的絕熱保溫性能。3鑄造鋁合金
在可預(yù)見的時期內(nèi)，鋁在汽車中的用量會逐年上升。減輕車的自身質(zhì)量是擴(kuò)大鋁應(yīng)用主要目的之一，為了大幅度減輕車的質(zhì)量，人們正在研究將車體質(zhì)量中所占比例較大的車身（約30%）、發(fā)動機(jī)(約18%)、傳動系統(tǒng)（約15%）、行走系統(tǒng)（約16%）、車輪（約5%）等鋼鐵零件用鋁合金材料替代。車輪的鋁化已基本完成，發(fā)動機(jī)的鋁化也差不多了。
在汽車用的鋁合金中，壓鑄及其他鑄造合金約占80%，加工鋁材僅占20%余，隨著車身鋁板帶用量的上升，鋁材占的比例會逐年有所上升，但上升幅度不會很大。在汽車鋁鑄造件中，壓鑄件的產(chǎn)量約占70%，所以壓鑄鋁合金在汽車用鋁中占到55%，在各國用的鋁中此比例不一樣，但都在54%～70%。
在全世界當(dāng)前消費(fèi)的再生鋁合金中約80%用于生產(chǎn)各種壓鑄件及鑄件，主要用于生產(chǎn)汽車、摩托車零件，它們要求合金具有良好的鑄造性能，所以再生鋁及鋁合金多用于生產(chǎn)YL1××系及ZL1××系鋁合金（Al-Si系合金）。
壓鑄鋁合金用得最多的是YL101、YL102、YL104、YL112、YL113、YL117與YL302鋁合金；在鑄造鋁合金中，汽車工業(yè)用得多的為：ZL101、ZL101A、ZL104、ZL105、ZL105A、ZL106、ZL108、ZL109、ZL110、ZL111、ZL114A、ZL115、ZL116鋁合金等。
4基礎(chǔ)研究是關(guān)鍵
推廣全鋁汽車與加大鋁在汽車上應(yīng)用，鋁加工企業(yè)與汽車制造企業(yè)宜加強(qiáng)合作共同努力做好這項工作外，還必須加大科技投入，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。我們都已看到跨國汽車公司的產(chǎn)品更多，科技含量也更高，產(chǎn)品譜系也更健全。其實這僅是它們作為跨國巨頭的顯性特征，而它們在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域持續(xù)大額的投入是支撐其顯性特征的根基�；A(chǔ)研究往往是最基層、最核心、同是也是最花成本，并且短期內(nèi)無法看到效益的行為，但這是形成核心競爭力的基礎(chǔ)，我們必須這么做，這一步是必須邁出的。
美國鋁業(yè)公司與2015年向市場推出了AlcoaMicromi11@汽車車身薄板鋁合金及生產(chǎn)技術(shù)，已在公司的圣安東尼奧軋制廠投人生產(chǎn)，福特汽車公司已批量用此板材制造F-150型皮卡車。此合金及其板材生產(chǎn)工藝的推出在鋁材發(fā)展史上具有里程碑意義。與常規(guī)汽車車身板相比，它的成形性能高40%，強(qiáng)度性能高30%，所制板鈑件的性能比高強(qiáng)度低合金鋼的還好，而其質(zhì)量卻比鋼的輕30%。中國鋁工業(yè)與汽車制造業(yè)宜聯(lián)合起來研發(fā)此項技術(shù)，也可以引進(jìn)。
